碳化硅功率器件在航天电子产品中的应用

  随着全球气候变暖，“低碳”变成了当今社会的热门词语，“低碳经济”、“低碳生活方式”，甚至连最热门的房地产行业最近也推出了“低碳楼盘”。而归根到底，“低碳”的本质就是降低能耗，减少二氧化碳的排放。据统计，60%~70%的电能是在低能耗系统中使用的，而绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动。而提高电力利用效率中，起关键作用的是功率器件，因此如何降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。
 
  在航天电子产品中，电子设备的功耗、体积和重量比地面设备更加重要，有时甚至是衡量该产品的主要指标。
 
  碳化硅（SiC）功率器件耐高温、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作，特别是与传统的硅（Si）功率器件相比，碳化硅功率器件可将功耗降低一半，因此可大幅度降低开关电源、电机驱动器等电路的热耗、体积和重量。
 
  虽然，碳化硅功率器件在近几年才向市场推广，但目前已应用于混合动力汽车和电动汽车设备中，正因其在很多方面具有普通硅功率器件无与伦比的优点，把碳化硅功率器件向航天电子产品中推广就具有了很重要的实际意义。
 
  碳化硅功率器件在航天电子产品中的应用
  根据上述分析，结合航天军工实际，碳化硅功率器件在航天电子产品中的应用主要集中在下面几个领域。
 
  1. 弹/箭上开关电源和卫星/飞船上的太阳能电源系统
  在开关电源系统中，二极管一般被用作整流、续流保护等。用做整流时，经常会因为整流二极管的反向恢复时间过长，进而导致转换效率降低，发热增加。虽然使用肖特基二极管可解决反向恢复问题，但普通硅（Si）肖特基二极管的击穿电压很低（通常低于200V），再加上降额设计，不适合高压应用。而用碳化硅（SiC）制作的肖特基二极管耐压可达1200V，反向恢复电流几乎可忽略不计，因而能大大减小器件的开关损耗，同时，还可简化开关电源电路中的保护电路，图2是Cree公司提供的使用碳化硅肖特基二极管后对Boost型拓扑结构开关电源的简化。

 
  2. 弹/箭上无刷直流电机或电动舵机的驱动器
  目前，弹/箭上使用的无刷直流电机或电动舵机的功率日趋增加，对于无刷直流电机或电动舵机的驱动器来说，因弹/箭上电池电压的限制，只有提升电流才能输出足够的功率。而大的电流带来了更大的耗散功率和发热量，这就会增加驱动器的体积、重量，无形中就增加了弹/箭的无效载荷，缩短了射程。
 
  碳化硅肖特基二极管所具有的耐高温、反向恢复电流为零的特性，可极大地提高电机驱动器的性能，减小耗散功率、体积和重量，提高产品的可靠性。
 
  另外，当SiC MOSFET制作工艺成熟后，如能替代当前使用的开关功率器件，因其高温性能卓著，还可进一步降低电机驱动器的体积和重量。
 
  3. SiC MESFET在星载/机载雷达发射机中的应用
  SiC MESFET主要应用于微波领域，非常适合在雷达发射机中使用；使用它可显著提高雷达发射机的输出功率和功率密度，提高工作频率和工作频带宽度，提高雷达发射机的环境温度适应性，提高抗辐射能力。
 
  和普通硅（Si）功率器件相比，碳化硅（SiC）功率器件所具有的优势非常明显。虽然碳化硅功率器件的市场化推广还处于起步阶段，但其应用前景广大，发展速度迅猛，在“低碳”经济理念的推动下，必将加快其发展步伐。航天电子产品对其重量、体积、功耗和抗辐射程度都有严格的要求，碳化硅功率器件的出现及进一步推广，必将对今后航天电子产品的开发产生深远影响。



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